Molecular epidemiology of Chaetothyriales fungi associated with human and animal infection

Abstract

Resumo: As leveduras negras pertencentes a ordem Chaetothyriales são organismos de natureza oligotrófica, que compartilham características específicas, como a presença de melanina na parede celular, um ciclo de vida polimórfico, com uma ecologia significativamente variável. A ordem engloba 5 famílias, Chaetothyriaceae, Cyphellophoraceae, Epibryaceae, Herpotrichiellaceae e Trichomeriaceae, que podem estar presentes em uma ampla variedade de nichos, tais como solo, plantas, matéria orgânica em decomposição, além de microrganismos patógenos e oportunistas associados a doenças em hospedeiros humanos e animais. As espécies relacionadas as infecções como cromoblastomicose, micetoma e feohifomicose, pertencem aos gêneros Exophiala, Cladophialophora, Capronia, Fonsecaea, Phialophora, Rhinocladiella, Veronea e Cyphellophora. Neste contexto, o objetivo principal deste trabalho foi explorar a presença de membros da ordem Chaetothyriales em dados de metagenômica e isolamento de países endêmicos e países com baixa incidência de casos das doenças relatadas, com foco no entendimento da ecoepidemiologia. Sequencias de marcadores moleculares, sondas e barcodes foram selecionados na literatura e aplicados como ferramentas de identificação das espécies da ordem Chaetothyriales, aplicados a identificação de espécies em dados públicos de metagenômica disponíveis no banco de dados SRA (NCBI), de amostras ambientais de 27 países (endêmicos e não endêmicos) para cromoblastomicose e feohifomicose (Capítulo II). Nesta análise, foram identificadas 54 espécies sendo 12 estritamente ambientais e 42 agentes de cromoblastomicose ou feohifomicose. Exophiala foi o gênero mais prevalente e Exophiala equina a espécie mais abundante (501588 reads). Novos nichos ambientais foram associados ao grupo, incluindo espécies vegetais (Zea mays, Pinus nigra, Oryza sativa,etc.), animais (ostra, caranguejo, Ochotona curzoniae e Sus scrofa ) e insetos (Aedes albopictus, vespa, abelhas e borboletas). A metodologia de identificação e os marcadores selecionados foram utilizados para explorar a presença de fungos chaetothyrialean em dados metagenômicos da pele (Capítulo III). Os dados analisados foram identificados 24 espécies de fungos negros, sendo Exophiala o gênero mais prevalente e Cyphellophora europaea a espécie mais abundante. Os agentes causais freqüentemente associados a doenças não foram encontrados nos dados avaliados, enquanto espécies da família Cyphellophoraceae foram dominantes dentre as espécies analisadas. Além deste estudo, a diversidade de leveduras pretas em amostras ambientais de solo, planta e material em decomposições provenientes de uma região endêmica para cromoblastomicose no Brasil, foram avaliadas pelo método de isolamento seletivo de flotação em óleo mineral (Capítulo IV). Espécies dos gêneros Fonsecaea, Exophiala, e Cyphellophora foram recuperadas do material analisado. A identificação preliminar baseada no sequenciamento da região ITS mostrou que uma espécie ainda não descrita estava filogeneticamente relacionada a ordem Chaetothyriales com posição taxonômica indefinida. A análise filogenética confirmou se tratar de uma nova espécie, classificada na clade Incertae sedis, sem gênero definido, de acordo com a atual classificação taxonômica proposta. Os resultados deste estudo nos levaram a elucidar alguns aspectos da ecologia das leveduras negras, bem como desvendar o potencial biotecnológico dos microrganismos de procedência ambiental.

Abstract: Black yeasts belonging to the order Chaetothyriales are organisms of an oligotrophic nature, with specific characteristics, such as the presence of melanin in the cell wall, a polymorphic life cycle, and a significantly variable ecology. The order encompasses 5 families, Chaetothyriaceae, Cyphellophoraceae, Epibryaceae, Herpotrichiellaceae and Trichomeriaceae, which may be present in a wide variety of niches, such as soil, plants, decaying organic matter, as well as pathogenic and opportunistic microorganisms associated with diseases in humans, and animals hosts. Species involved in infections such as chromoblastomycosis, mycetoma and phaeohyphomycosis belong to the genera Exophiala, Cladophialophora, Capronia, Fonsecaea, Phialophora, Rhinocladiella, Veronaea and Cyphellophora. In this context, the main objective of this work was to explore the presence of members of the order Chaetothyriales in metagenomic and isolation data from several endemic countries and regions with low incidence of cited mycosis, with a focus on understanding ecoepidemiology of this group. Sequences of molecular markers, probes, and barcodes were selected in the literature and applied as identification tools for species of the order Chaetothyriales, in public metagenomic data available in the SRA database (NCBI). Data with environments link from 27 countries (endemic and non-endemic) for chromoblastomycosis and phaeohyphomycosis (Chapter II) was included in the database. In this analysis, 54 species were identified, 12 environmental and 42 agents of chromoblastomycosis or phaeohyphomycosis infection. Exophiala was the most prevalent genus and Exophiala equina the most abundant species (501588 reads). Environmental niches never reported before, were associated with the group, including plant species (Zea mays, Pinus nigra, Oryza sativa, etc.), animals (oyster, crab, Ochotona curzoniae and Sus scrofa) and insects (Aedes albopictus, wasp, bees and butterflies). The methodology applied in the first chapter and selected markers were used to explore the presence of chaetothyrialean fungi in skin metagenomic data (Chapter III). The analyzed data identified 24 species of black fungi, with Exophiala being the most prevalent genus and Cyphellophora europaea the most abundant species. The causal agents associated with diseases were not found in the data found, while species of the Cyphellophoraceae family were dominant among the remaining species. In addition to this study, the diversity of black yeasts in environmental samples of soil, plant, and decomposing plant material from an endemic region for chromoblastomycosis in Brazil, were evaluated by the method of selective isolation of flotation in mineral oil (Chapter IV). Species of the genera Fonsecaea, Exophiala and Cyphellophora were recovered from the analyzed material. A preliminary identification based on the sequencing of the ITS region showed that a species not yet described was phylogenetically related to the order Chaetothyriales with an undefined taxonomic position. The phylogenetic analysis confirmed that it is a new species, classified in the clade Incertae sedis, without defined genus, according to the current proposed taxonomic classification. The results of this study led us to elucidate some aspects of black yeast ecology, as well as to develop the biotechnological potential of microorganisms of environmental origin.